基于图像直方图分析的线阵相机自动曝光调整方法及系统

摘要

本发明提供一种基于图像直方图分析的线阵相机自动曝光调整方法及系统，包括计算当前图像的灰度直方图，对灰度直方图进行归一化，获取当前图像的直方图的左边界、右边界和峰值；根据图像灰度直方图的期望峰值，计算相机曝光调整值；如果相机曝光调整值的绝对值大于等于调整阈值计算得到新的当前曝光值，绝对值小于调整阈值则不进行调整保持当前曝光值，根据当前曝光值进行拍照，当获取新的图像作为当前图像后，继续调整。本发明通过对获取的图像数据进行直方图分析，利用期望的影像质量和其直方图分布特征对相机曝光时间调整，达到相机自动调整曝光时间的效果。

说明书

技术领域

本发明涉及数字图像处理领域，尤其涉及一种基于图像直方图分析的线阵相机自动曝光调整方法及系统。

背景技术

对野外运动目标(如火车)成像，考虑到运动和拼接因素，多采用线阵相机拍照。相对于野外图像数据采集的环境来说，有源光源的补光是拍照的必要条件，但外部环境的变化，如夜晚、晴天、阴雨天、阳光直射、运动等现象的干扰，如何有效的消除，获得更好的图像效果，是必须解决的问题。图像的直方图分析通常用于图像的统计分析，可用于均衡化(如“一种红外图像的直方图均衡化方法”(CN 104252700A)，但是鲜有用于反向指导调节相机曝光参数的方法。

通过测光设备、光强测量等手段，对外部环境光的变化进行测量，需要考虑阴影区域、外接光源干扰、物体运动等因素，并对成像物体自身反光等现象，当前还没有比较好的解决办法。因此，有必要提供一种新的相机曝光方法来自动调整，以方便获取明暗适宜、成像效果清晰的动态场景图片。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种基于图像直方图分析的线阵相机自动曝光调整方法及系统，从成像质量分析上，把外部干扰因素体现在成像结果上，通过图像直方图分析获取适合当前环境和当前时刻的曝光时间，从而获取高质量图像。

本发明的技术方案提供一种基于图像直方图分析的线阵相机自动曝光调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、获取当前图像，计算当前图像的灰度直方图，对灰度直方图进行归一化，获取当前图像的直方图的左边界Left_Pos、右边界Rigt_Pos和峰值；

步骤2、根据图像灰度直方图的期望峰值Exp_Bright，计算相机曝光调整值CExp如下，

$\left(\begin{array}{c}CExp=\\ \left(\begin{array}{cc}Exp\_Bright-\frac{({\mathrm{Left}}_{Pos}+{\mathrm{Right}}_{Pos})}{2}\times k1÷k2+0.5& Left\_Pos\ne 0,Right\_Pos\ne 255\\ Exp\_Bright-\frac{(Left\_Sec\_Pos+Right\_Sec\_Pos)}{2}\times k1÷k2+0.5& Left\_Pos=0\\ Exp\_Bright-\frac{(Left\_Sec\_Pos+Right\_Sec\_Pos)}{2}\times k1÷k2+0.5& Right\_Pos=255\end{array}\right)\end{array}\right)$

其中，Exp_Bright为图像直方图的期望峰值，Left_Sec_Pos和Rigt_Sec_Pos为剔除边界峰值后的二次边界值，修正系数k1、k2为图像直方图线性变换系数；

步骤3、比较相机曝光调整值CExp的绝对值和预设的调整阈值，如果相机曝光调整值CExp的绝对值大于等于调整阈值，将相机曝光调整值和当前曝光值相加，得到新的当前曝光值，进入步骤4；如果相机曝光调整值CExp的绝对值小于调整阈值，则不进行调整，保持当前曝光值，进入步骤4；

步骤4、根据当前曝光值进行拍照，当获取新的图像作为当前图像后，重新返回步骤1，继续调整。

而且，根据预设的过滤阈值，对直方图进行截取，更新当前图像的直方图的左边界Left_Pos、右边界Rigt_Pos和峰值。

而且，当前图像的行数采用预设的数值m。

而且，m＝1000。

而且，根据预设的数值n，n>1，步骤4中根据当前曝光值进行拍照时，是等待拍摄(n-1)×m行后才提取最新的m行图像作为新的当前图像，然后重新返回步骤1，继续调整。

本发明还相应提供一种基于图像直方图分析的线阵相机自动曝光调整系统，包括以下模块：

第一模块，用于获取当前图像，计算当前图像的灰度直方图，对灰度直方图进行归一化，获取当前图像的直方图的左边界Left_Pos、右边界Rigt_Pos和峰值；

第二模块，用于根据图像灰度直方图的期望峰值Exp_Bright，计算相机曝光调整值CExp如下，

$\left(\begin{array}{c}CExp=\\ \left(\begin{array}{cc}Exp\_Bright-\frac{({\mathrm{Left}}_{Pos}+{\mathrm{Right}}_{Pos})}{2}\times k1÷k2+0.5& Left\_Pos\ne 0,Right\_Pos\ne 255\\ Exp\_Bright-\frac{(Left\_Sec\_Pos+Right\_Sec\_Pos)}{2}\times k1÷k2+0.5& Left\_Pos=0\\ Exp\_Bright-\frac{(Left\_Sec\_Pos+Right\_Sec\_Pos)}{2}\times k1÷k2+0.5& Right\_Pos=255\end{array}\right)\end{array}\right)$

其中，Exp_Bright为图像直方图的期望峰值，Left_Sec_Pos和Rigt_Sec_Pos为剔除边界峰值后的二次边界值，修正系数k1、k2为图像直方图线性变换系数；

第三模块，用于比较相机曝光调整值CExp的绝对值和预设的调整阈值，如果相机曝光调整值CExp的绝对值大于等于调整阈值，将相机曝光调整值和当前曝光值相加，得到新的当前曝光值，命令第四模块工作；如果相机曝光调整值CExp的绝对值小于调整阈值，则不进行调整，保持当前曝光值，命令第四模块工作；

第四模块，用于根据当前曝光值进行拍照，当获取新的图像作为当前图像后，命令第一模块工作，继续调整。

而且，根据预设的过滤阈值，对直方图进行截取，更新当前图像的直方图的左边界Left_Pos、右边界Rigt_Pos和峰值。

而且，当前图像的行数采用预设的数值m。

而且，m＝1000。

而且，根据预设的数值n，n>1，第四模块中根据当前曝光值进行拍照时，是等待拍摄(n-1)×m行后才提取最新的m行图像作为新的当前图像，然后命令第一模块工作，继续调整。

本发明通过对获取的图像数据进行直方图分析，利用峰值位置变化和直方图波形特征的改变，构建曝光时间跟峰值变化的对应关系，从而利用期望的影像质量和其直方图分布特征对相机曝光时间调整，使获得的图像数据的直方图特征与期望值相匹配，从而达到相机自动调整曝光时间的效果。

附图说明

图1为本发明实施例的应用系统体系结构图；

图2为本发明实施例调节前获取的图像直方图。

图3为本发明实施例的调节后获取的对应图像直方图。

具体实施方法

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

本发明实施例所提供一种基于图像直方图分析的线阵相机自动曝光调整方法，包括以下步骤：

步骤1、获取当前图像，计算当前图像的灰度直方图，对灰度直方图进行归一化，获取当前图像的直方图的左边界、右边界和峰值；

实施例在步骤1中，对当前图像的灰度直方图进行归一化处理，为削弱噪声干扰，实施例中设置直方图的过滤阈值k＝0.3，对直方图进行截取，从而获得当前图像的直方图新的左边界Left_Pos、右边界Rigt_Pos和峰值。具体实施时，本领域技术人员可自行预设过滤阈值，采用经验值可以削弱噪声的影响。

步骤2、根据图像灰度直方图的期望峰值，计算相机曝光调整值；

在步骤2中，如果左边界Left_Pos＝0或者右边界Rigt_Pos＝255，则对图像在新的左右峰值之间求图像的累积分布，从而实现直方图均衡化，获取到均新的直方图的左边界Left_Sec_Pos、右边界Rigt_Sec_Pos。

实施例中，输入理想图像直方图的期望峰值参数Exp_Bright，根据公式计算相机曝光调整值CExp：

$\left(\begin{array}{c}CExp=\\ \left(\begin{array}{cc}Exp\_Bright-\frac{({\mathrm{Left}}_{Pos}+{\mathrm{Right}}_{Pos})}{2}\times k1÷k2+0.5& Left\_Pos\ne 0,Right\_Pos\ne 255\\ Exp\_Bright-\frac{(Left\_Sec\_Pos+Right\_Sec\_Pos)}{2}\times k1÷k2+0.5& Left\_Pos=0\\ Exp\_Bright-\frac{(Left\_Sec\_Pos+Right\_Sec\_Pos)}{2}\times k1÷k2+0.5& Right\_Pos=255\end{array}\right)\end{array}\right)$

其中，Exp_Bright为图像直方图的期望峰值，Left_Sec_Pos和Rigt_Sec_Pos为剔除边界峰值后的二次边界值。其中修正系数k1、k2为图像直方图线性变换系数，具体实施例时本领域技术人员可自行预设取值，例如可以通过在固定环境中改变相机的曝光时间得到标准图像灰度均值统计来得到，实施例取k1＝5,k2＝6。

步骤3、为保证系统调整的效率，具体实施时，本领域技术人员可自行预设调整阈值，取值越大效率越高，调整精确度越低，取值越小调整效率越低，调整精度越高。实施例设置调整阈值为10，即相机曝光调整值绝对值大于等于10，则说明效果尚不理想，将相机曝光调整值和当前曝光值相加，得到新的当前曝光值，按新的当前曝光值进入步骤4，进行拍照，当获取新的图像作为当前图像后，将返回步骤1，重复执行步骤1、步骤2和步骤3继续调整；如果曝光调整值绝对值小于10，则当前无需调整，令相机调整值等于零，保持使用当前曝光值，进入步骤4；

步骤4、根据当前曝光值，相机正常拍照，获取图像。

在步骤4中，根据当前相机曝光值进行拍照，继续在取新的图像作为当前图像后，重新返回步骤1，继续调整，以达到持续获取清晰图像的目的。直到停止系统工作。

应用本发明技术方案的系统架构举例如图1所示，从初始相机抓取图像后，执行以上流程的计算机可以监测图像，调整相机参数，并存储到服务器，服务器输出相应命令到工控机，控制调整线阵相机的曝光值。例如，可用于室外动态运行的火车监测，获取清晰图像，以便于后续的车辆监测、识别。那么，主要使用环境为户外环境，使用条件应当适应多种天气变化。具体实施时,可采用1组倒“L”型支架；在倒“L”型支架的横杆上安装一台垂直向下拍照的工业相机拍摄顶部图像、竖杆上安装一台垂直于火车运行方向的工业相机，并增加若干补光设备，例如光源LED。硬件环境部署到位后就可以进行图像的采集工作，采用本发明技术方案获取第一幅图像后，调节根据外部环境，自动调节曝光时间，获取理想图像。

根据线阵相机的特性，具体实施时，本领域技术人员可自行预设图像计算单元， 即当前图像的行数采用预设的数值m。本实施例取初始的1000行图像作为一个图像计算单元，获取其直方图信息(如图2)，结合之前的曝光时间，得到曝光时间调整值(如图3)，然后对相机的曝光值进行调整，同样是获取调整后的1000行数据。即当前图像总是取m＝1000行图像数据。

由于调整过程中，相机正常采集图像，为了避免过于频繁的调整曝光值，因此本发明进一步提出，不论按新的当前曝光值还是保留原有的当前曝光值进行拍照，可以不是马上获取新的图像作为当前图像，而是等待拍摄(n-1)×m行后才提取最新的m行图像作为新的当前图像。实施例中，在图像表现上接近于为每n×1000行调整一次曝光时间，其中可根据需要的调整效率设定n值，n>1，具体实施时，本领域技术人员可自行预设n的取值。实施例中n＝2，直到调整工作结束。

具体实施时，本发明所提供方法可基于软件技术实现自动运行流程，也可采用模块化方式实现相应系统。

本发明实施例还相应提供一种基于图像直方图分析的线阵相机自动曝光调整系统，包括以下模块：

第一模块，用于获取当前图像，计算当前图像的灰度直方图，对灰度直方图进行归一化，获取当前图像的直方图的左边界Left_Pos、右边界Rigt_Pos和峰值；

第二模块，用于根据图像灰度直方图的期望峰值Exp_Bright，计算相机曝光调整值CExp如下，

$\left(\begin{array}{c}CExp=\\ \left(\begin{array}{cc}Exp\_Bright-\frac{({\mathrm{Left}}_{Pos}+{\mathrm{Right}}_{Pos})}{2}\times k1÷k2+0.5& Left\_Pos\ne 0,Right\_Pos\ne 255\\ Exp\_Bright-\frac{(Left\_Sec\_Pos+Right\_Sec\_Pos)}{2}\times k1÷k2+0.5& Left\_Pos=0\\ Exp\_Bright-\frac{(Left\_Sec\_Pos+Right\_Sec\_Pos)}{2}\times k1÷k2+0.5& Right\_Pos=255\end{array}\right)\end{array}\right)$

其中，Exp_Bright为图像直方图的期望峰值，Left_Sec_Pos和Rigt_Sec_Pos为剔除边界峰值后的二次边界值，修正系数k1、k2为图像直方图线性变换系数；

第三模块，用于比较相机曝光调整值CExp的绝对值和预设的调整阈值，如果相机 曝光调整值CExp的绝对值大于等于调整阈值，将相机曝光调整值和当前曝光值相加，得到新的当前曝光值，命令第四模块工作；如果相机曝光调整值CExp的绝对值小于调整阈值，则不进行调整，保持当前曝光值，命令第四模块工作；

第四模块，用于根据当前曝光值进行拍照，当获取新的图像作为当前图像后，命令第一模块工作，继续调整。

各模块具体实现可参见相应步骤，本发明不予赘述。

以上所述仅是用以说明本发明的具体实施案例而已，并非用以限定本发明的可实施范围，举凡本领域熟练技术人员在未脱离本发明所指示的精神与原理下所完成的一切等效改变或修饰，仍应由本发明权利要求的范围所覆盖。